煤矿井下无线通信系统论文

煤矿井下无线通信系统论文（精选12篇）

煤矿井下无线通信系统论文 篇1

1 已成熟的井下无线通信系统

1.1 漏泄通信系统

漏泄通信系统, 是一种较为成熟的煤矿井下移动通信系统, 依靠在井下巷道设一条中间电缆屏蔽层的完整性被有规律地破坏的同轴电缆来实现。该电缆称漏泄电缆, 其与漏泄设备输出口相连接, 之后会在周围形成连续、均匀的电磁场, 起天线传输作用。漏泄通信系统是一种井下模拟无线通信产品, 因其采用模拟调制、频分复用的方式, 可能造成噪声累积、工作点漂移等模拟系统的缺点。

目前比较著名的是加拿大矿通公司开发的“飞士”系统, 可提供32个声音与数据控制信道和16个视频信道, 所有信号传输同时进行, 既可与光导纤维网络连接, 又可与普通电线的电话、数据系统连接。我国较著名的是武汉七环的漏泄通信系统。

漏泄通信系统具有拓展性好、敷设灵活、可根据需要增加长度、可调整信道的优点, 也具有信号覆盖不均、易出现盲区、容量较小的缺点。漏泄通信系统在90年代曾经是井下无线通信系统的主导产品, 但现在很多已被取代。

1.2 无线小灵通通信系统

小灵通, 又名“无线市话”, 利用微蜂窝技术, 以无线方式接入, 实现终端通信。井下无线小灵通通信系统的出现, 是井下通信系统的一场技术革命, 实现了特殊环境下的无线通信。

继漏泄通信系统, 小灵通通信系统的发展也已经成熟, 后者基本取代前者成为井下通信的主流, 目前国内大部分矿井都采用小灵通进行通信。小灵通系统在井下主要采用40 m W的基站, 可同时提供3路通话信道, 并能对少量的人员和车辆进行定位。每个小灵通基站有自己的星型有线网络连接, 通过多芯电缆或光缆实现。

小灵通的建设和使用都较为方便, 在实际建设中, 各大矿井大多使用小灵通通信系统作为自己的井下通信系统, 其优势不言而喻。但小灵通系统存在基站通话数偏少的缺点, 且基站不能直接接入高速以太环网。伴随工信部“小灵通退网通知”, 曾经风靡大街小巷的小灵通告别了商业市场, 曾经的中兴、华为等技术型厂家纷纷转战手机通信领域, 小灵通技术几乎走到了尽头。虽然煤矿井下的小灵通系统是可以继续使用的专网, 但其技术已经被市场淘汰, 售后难以保证, 彻底退出通信市场只是时间问题。选用更稳定、更先进的无线井下通信技术, 是未来发展的必然趋势。

1.3 CDMA多功能无线通信系统

CDMA是一种建立在扩频通信技术基础上的无线通信技术, 在煤矿井下的具体应用, 主要是将CDMA的技术控制要点融入煤矿井下的地形与深度。其通过形成原数据信号带宽被扩展的现象, 实现整个信息通道的运用。

煤矿CDMA系统包括地面局端机、井下覆盖网和相应终端设备, 地面局端机为安装有功率受限天线的30m铁塔, 井下覆盖主要通过漏泄电缆、定向天线和全向天线。CDMA系统采用CDMA2000 1X技术, 以软交换技术建立核心网, 通过服务器、子系统、基站等, 建立一种能增强有效对接的控制方式。

CDMA技术可以实现井下人员的语音通信和视频功能, 而且具备设备管理、数据监测、图像传输等功能。系统容量大, 覆盖面广, 适应性好, 与地面无线网不冲突, 特别适用于一矿多井、一局多矿的组网, 能够节省投资。

1.4 Wi-Fi无线通信系统

Wi-Fi是目前应用最广的无线网络通信技术, 其广阔的应用前景值得关注。2004年德国最早将Wi-Fi技术运用于煤矿井下, 2007年中国的Wi-Fi设备也通过了国家安全标准认证, 投入使用。

经过多年发展, 运用于煤矿井下的Wi-Fi语音通讯系统已有了较成熟的发展, 实现了井上井下的通讯一体化, 完善了调度功能。且Wi-Fi的矿用语音系统具有脱网通讯能力, 在出现事故时通讯不会中断, 方便营救被困人员。

Wi-Fi无线通信系统布设简单, 安装方便, 建设成本低, 设备能耗低, 传输效率高, 带宽大, 承载业务多样。是目前煤矿井下通信主要的发展方向。

2 新兴技术在煤矿井下通信系统中的应用

除了上述四种技术, 蓝牙、3G、透地通信等技术也在煤矿井下通信系统中有所应用。其中3G技术是新的热点, 目前已被运用到煤矿井下的3G通信技术主要有采用分布式基站覆盖矿井, 和采用基于微微蜂窝或飞蜂窝基站覆盖矿井两种结构。可实现与调度电话、行政电话的互通, 有可视化功能。

其优势在于核心技术可靠, 厂商众多, 产业链庞大, 潜力无限。但相比于Wi-Fi, 3G技术带宽稍小, 目前建设成本也偏高, 还有待发展。

煤矿井下无线监控与通信系统, 集合了数字通信、传输、传感、控制、网络等多种新技术, 充分考虑到煤矿井下复杂的地质条件和恶劣的工作环境, 体现了低成本、高性能、易操作、易维护的优势, 有效帮助了煤矿的安全生产和管理, 是未来技术发展的重要方向。

3 结语

作为安全生产的一种辅助, 探究煤矿井下通信系统具体选择何种通信技术, 主要考虑的应包括成本控制、距离等客观因素, 最重要的是以安全生产为中心, 利用无线通信技术在煤矿井下形成安全的生产环境, 保障井下工作人员的安全。适用于煤矿生产的通信产品很多, 企业管理者应综合考量, 选择传输能力强、覆盖面广、使用方便灵活的最适合本企业的产品。

摘要：目前已发展成熟的井下无线通信系统主要包括漏泄通信系统、无线小灵通通信系统、CDMA多功能无线通信系统、Wi-Fi无线通信系统四种技术, 从组成、技术、应用、优缺点的角度, 分别对其展开讨论, 并由商用通信发展趋势结合煤矿井下通信系统现状, 对井下通信未来趋势进行分析, 提出选择合适通信技术的依据。

关键词：煤矿,井下通信系统,通信技术

煤矿井下无线通信系统论文 篇2

及《煤矿井下安全避险“六大系统”培训教材》

宣传提纲

煤炭工业出版社

一、《煤矿井下安全避险“六大系统”建设指南》

编委会主任：赵铁锤副主任：王树鹤 彭建勋

主编：孙继平副主编：杨大明张志钰

定价：280.00元ISBN 978-7-5020-3999-8社内编号：6822

出版时间：2012年3月

总字数：1189千字总页数：782

内容简介：

目前，各地煤矿企业根据国务院通知精神积极推进煤矿井下安全避险“六大系统”建设工作，然而在推进“六大系统”建设过程中遇到很多困难——缺乏现成的可借鉴的经验，对国家建设完善“六大系统”的指导精神和规定理解不透彻等，急需得到有效的指导。为帮助煤矿企业顺利完成“六大系统”建设工作，国家安全生产监管总局、国家煤矿安监局组织权威专家、著名学者编写了这本《建设指南》。全书共8篇，详细介绍了“六大系统”的功能、构成、设备设施及使用维护时的注意事项，设计和建设完善各系统应遵循的原则、技术原则和技术标准，阐述了各系统之间的联系，并列举了国内“六大系统”建设较好的案例。书中尤其注重对《煤矿下紧急避险系统建设暂行规定》、《煤矿井下安全避险“六大系统”建设完善基本规范（试行）》和《煤矿可移动硬体救生舱通用技术条件（征求意见稿）》等规定标准的诠释，以帮助各地煤矿企业建设者更好地理解和掌握规定标准的精神实质。

作者简介：

孙继平（煤矿安全监测监控系统、井下人员定位系统、通信联络系统）中国矿业大学（北京）副校长，煤矿安全生产监控与通信、安全生产信息化及煤矿电气安全方面著名专家。曾主持多项国家煤炭行业标准和安全生产行业标准的制定，主持研发KJ8型码分制矿井安全生产监控系统和KJ13型时分制矿井安全生产监控系统。

杨大明（紧急避险系统）

安标国家中心副主任，参与起草《煤矿井下紧急避险系统建设暂行规定》，参与制定井下救生舱研制和验收标准。

张志钰（压风自救系统、供水施救系统、常村煤矿井下安全避险“六大系统”实例）

山西潞安矿业集团安全生产现场专家，该集团常村煤矿在国内“六大系统”建设中走在前列。

二、煤矿井下安全避险“六大系统”培训教材

国家安全生产监督管理总局信息研究院 组织编写

ISBN 978-7-5020-3975-2社内编号 6798

定价：48元出版日期：2012年3月

本书介绍了煤矿井下安全避险“六大系统”建设完善的目标要求和基本要求，阐述了各系统的组成、设置、安装、使用和维护管理，并列出了某市“六大系统”的验收标准及评分办法以供参考。

本书内容精简实用，作为煤矿井下安全避险“六大系统”的培训教材，篇幅适中。通过阅读本书，煤矿管理人员、工程技术人员能够快速了解“六大系统”是什么、能干什么、怎么建设、如何使用、合格标准又是什么，对“六大系统”的建设完善工作形成初步整体概念，为日后工作的深入开展打下基础。

煤矿井下供电电网监控系统 篇3

【关键词】电网；监控系统；通信；分站；采集器

0.前言

对煤矿来说，任何时刻地突然停电都会危及安全、生产和煤矿的经济效益，科学供电，合理用电就意味着降低生产成本，提高经济效益。特别是井下供电比较复杂，为保证安全供电，各种高压开关装置都装有漏电和短路保护，而一旦出现线路故障，首先引起高压开关掉电，影响生产，况且由于保护设备质量的不完善性，还易发生误掉电。无论如何，掉电后必须由人工送电。由于井下变电所的特殊性，很少有人值守，加之距离较远，当值班人员发现掉电到去送上电，往往需要很长时间。另一方面，为便于供电管理人员的科学管理，实时了解某路负载的电流、电压、功率等参数也是非常重要的。而本文介绍的井下變电所高压供电监控系统就能在实时监测显示各路负载用电参数的同时，实现地面计算机遥控井下变电所高压真空开关分、合闸，即实现地面计算机遥控断、送电，基本上可以解决上述问题，并通过兖矿集团公司科技处的验收。

1.系统结构及工作原理

本系统的监控对象就是变电所里的高压真空开关，是相对集中的地方，但变电所之间距离往往相距甚远，所以系统具有集散型的特点，在设计系统时就采用集散型计算机监控系统。系统中心计算机放在地面值班室。井下变电所设一台分站，分站再与被监控高压开关装置内的智能采集器连接，采集器完成对电流、电压、功率等传感器信号的采集和输出控制信号。

系统工作原理：

在系统第一次运行时，系统计算机需根据系统所接分站和每台分站所接各智能采集器进行“系统定义”，即定义计算机共接了几台分站，每台分站的地址号是什么？每台分站连接了多少个智能采集器？且智能采集器的地址编号是什么？计算机的定义必须与实际相连接的设备相符，否则，计算机测不到数据。

定义完了分站和智能采集器以后，再执行“初始化”，在执行初始化成功后，即可进入“实时监控”，计算机运行后台实时通信程序，依次将各分站及各分站所接智能采集器采集到配电开关装置内的电流、电压、功率、开合状态等采集回来显示在系统主画面上，并随时根据需要，对某一配电开关进行人工分、合闸操作。

2.硬件设计

2.1通信接口设计

系统选用了当前技术比较先进，性能比较好，适于工业现场使用的现场总线CAN BUS。CAN现场总线技术是德国BOSCH公司于80年代初为解决现代工业中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发，目前已逐步应用到其它领域的一种符合国际标准的串行数据通信协议。CAN的主要技术特点有：对等网络结构，采用非破坏性总线仲裁技术，每一帧信息都有CRC校验及其它检错措施，通信误码率低，通信距离达10千米（5KB/S），通信速率最高可达1MB/S，节点数目实际可达110个，通信介质采用双绞线，也可用光纤。

2.2分站的设计

分站的作用是提高系统采集数据的速度和缩短系统巡测周期，从而提高系统的整体性能，在整个系统结构中起着承上启下的作用。它还能脱离主机独立工作。

本分站采用双单片机(1)。单片机Ⅰ专用来控制智能采集器（设计容量为16，可以扩展）。单片机Ⅱ专用于同地面计算机通信。两单片机独立工作，双方通过一只双口RAM数据存储器进行数据传递和交换。双口RAM的作用是能允许两只单片机同时对其读写操作，但不允许两单片机同时对同一存储单元进行写操作，这可通过两只单片机连接两根握手线来控制。

单片机Ⅰ与智能采集器的通信方式为485，单片机Ⅱ与地面计算机（经过RS232通信接口）的通信方式为CAN总线。

掉电不丢失EEPROM是用来保存地面计算机对分站的初始化常数，主要是分站所接各智能采集器的个数和地址。

分站工作原理：

单片机Ⅱ上电后先从EEPROM中读取已定义的常数，然后写到双口RAM的特定地方，写完后就等待地面计算机发来的控制指令，按照不同的控制指令对双口RAM进行读写操作。如果单片机读到的常数，经判断后不是计算机定义的一组有规律的数（如分站为第一次上电或更换新的EEPROM），则单片机进入等待状态，等计算机进行初始化操作。当单片机收到计算机定义的常数时，先将其保存到EEPROM中，等待以后上电或复位后使用，然后再写到双口RAM的特定地方。

2.3智能采集器的设计

智能采集器的作用是在高压配电开关内部采集系统需要的电流、电压、有功功率、真空开关的开合状态等电参数。同时执行地面计算机发来的“复位”，“合闸”，“分闸”控制等操作。

电流、电压、有功功率传感器均选用了0~5V的模拟输出方式，电流传感器的输入范围交流0~5A，电压传感器的输入范围交流0~100V ，有功功率传感器选用了三相三线制输入方式，即A、C相电流和A、B、C相电压。A/D转换器我们选用新型具有11路0~5V输入，串行数据输出，分辨率为12位的模数转换器TLC2543。该芯片具有精度高，转换快，操作简单等特点。RS485通信电路是采集器单片机与分站通信接口部分(2)，单片机和采集器是相对独立工作的，无论通信电路通不通，或是能否受分站单片机的控制，它都循环不断地采集传感器的输入信号和读真空开关的开、合状态，并放在内部的数据缓冲区，也可由专用显示器显示。

3.系统关键技术

3.1通信

通信是计算机间的相互交换数据。没有数据通信，就构不成计算机应用系统，所以通信在计算机应用系统中是非常重要的部分，尤其在远距离通信系统中，是首先要考虑的部分。通常为了系统工作可靠，往往投入巨资敷设光缆。

3.2智能采集器的设计

设计的智能采集器除了满足系统监测监控的需要外，还必须具有体积小，耗电少，功能强，工作可靠等特点。不仅实现在线监测，还能在线控制，具有远方遥控的功能。它的连线也很关键，必须保证与原有高压真空开关内的综保电路和控制执行机构保持各自独立工作，这是系统设计时的重点考虑内容。控制输入输出接口也都采用了无源接点，在电气上实现了隔离。

3.3系统的分、合闸功能

为实现系统的远距离分、合闸，从计算机操作、通信到采集器执行控制动作进行了综合考虑和设计，采取了密码操作、专线传输、实时监测、定时中断、安全退出等技术措施。

3.4分站的双向通信

分站的主要功能是实现双向通信。目前市场上出现的绝大部分单片机只具有一个串行口，如采用一个串行口实现双向通信，无法满足系统实时监控的需要，如果扩展串行口，会分散或占用单片机过多的工作时间，影响分站或单片机的工作性能，为彻底解决分站双向通信的问题，设计了双单片机结构，并选用一片双口RAM（随机存储器）进行数据暂存和缓冲，两只单片机各自独立工作，互不影响。同时分站将以最快的通信速度把变电所内所有采集器的数据同时传给地面计算机，从实际使用效果来看是非常理想的。

【参考文献】

［１］李华．MCS-51 系列单片机实用接口技术，北京，航空航天大学出版社，1993，8．

［２］王树勋等．MCS-51单片微型计算机原理与开发，北京，机械工业出版社，1990，9．

煤矿井下可见光通信系统设计 篇4

目前, 用于煤矿井下的通信网络主要可分为有线通信网络、无线通信网络及有线与无线混合的通信网络。有线通信网络主要通过铺设通信电缆或光纤等构成通信线路, 由于巷道纵横交错, 工作面具有移动多变性, 线路敷设复杂且易遭到损坏, 使得有线通信网络在井下应用具有很大的局限性。现有的无线通信网络主要是利用无线射频技术实现通信, 如WiFi、蓝牙、ZigBee、超宽带、红外等。但是, 煤矿井下环境恶劣, 电磁波的传输极易受到特殊的通信环境的干扰, 形成严重的多径效应, 因此, 很大程度上降低了通信质量和传输距离, 而且全网节点的铺设成本较高、安装不易。混合有线和无线通信网络主要是在指一些大巷、泵房等采用有线敷设, 而在一些特殊环境 (如工作面) 利用无线进行通信, 虽然通信效果有所提升, 但由于无线通信技术本身易受外界环境影响, 在井下受限的通信环境根本无法根除多径效应, 而且同样存在铺设安装困难, 成本较高等缺点。因此, 为了解决以上井下通信网络的缺陷, 研究设计了一种煤矿井下LED可见光通信系统。该系统通过电力线载波通信和光载波通信的结合, 实现了矿井工作面等井下场所与地面的通信;与其他传统的井下通信系统相比, 由于是通过改造的井下电力照明系统构成, 铺设安装简单, 成本低廉且安全可靠。同时, LED可见光在井下通信环境中应用具有明显的优势, 无自然光的干扰, 可覆盖整个井下区域, 发射功率高, 可实现照明和通信双重功能, 能在实现正常照明的同时满足通信需求。

1系统总体设计

1.1系统架构

煤矿井下可见光通信系统主要包括2个部分: 照明灯基站与移动台 (即矿灯) 之间的光无线通信, 照明灯基站之间以及照明灯基站与地面之间的电力线载波通信, 如图1所示。

井下可见光通信网络在原有电力线的基础上, 通过改造井下现有的电力照明系统, 重新规划照明网络, 以LED可见光通信链路和电力线通信链路为基础, 并将一些必要的主服务器、光检测基站、移动控制台等设备添加到系统中, 其网络结构如图2所示。在井上监控室安装主控制监控服务器装置, 通过相相耦合的方式连接到井下电力线[1]。在井下各个巷道内, 通过电力线系统将许多照明灯基站连接成可见光下行链路通信网络, 再对井下采煤工作面和交错的巷道进行分区, 建立各个小型可见光通信局域网, 并在每个局域网内设定一个光基站控制台, 同样通过相相耦合方式连接到电力线系统, 作为一个小型的局域网服务器, 它不但具有路由转发功能, 而且能够对照明灯基站进行控制和调整。

1.2系统设备组成及功能

(1) 主服务器。对整个可见光通信网络进行监控, 具有与外界通信的以太网接口, 并安装各种监控、定位软件等, 它不但能够对各个光基站控制台和基站进行直接或间接控制, 而且也可用于移动台和基站的通信和定位。

(2) 光基站控制台。只对本区域内的基站网络进行监控, 同时具有计算机网络中的路由功能, 它主要包含本局域网内的各个照明灯基站全部信息和其他的局域网的光基站控制台信息。具体功能包括: 1它可把电力线载波数据帧进行分组并组装成数据包格式, 为上层服务层提供完整的信息;2可将接收到的数据帧进行同层的路由转发, 同时也可向下一层转发;3对数据信息进行处理、识别, 可用于对本局域网内的基站和移动台进行控制等。

(3) 照明灯基站。主要由光信息发射器和接收器构成, 其具体结构如图3所示。其中光信息发射器由LED光调制编码电路、LED驱动电路和LED光源等构成, 用于信息的发送;光信息接收器由光信号检测器、信号调理模块、信号处理器、均衡器、解调判决器和电力线调制编码模块等构成, 用于信号的接收, 同时也可作为光通信的交换机使用。

(4) 移动台。即智能矿灯, 是一个可以提供照明的小型智能终端, 主要结构如图4所示, 包括光信息发射器和接收器, 此外, 还含有电源、控制器、显示器等硬件设备, 主要用于信息的发送、显示等。

2关键技术

目前煤矿井下工作面存在着严重的通信手段单一的问题, 本文将可见光通信与电力线载波通信相结合, 可以有效地提高井下通信的可靠性。

2.1电力线载波通信

电力线载波通信是指将照明电线作为传输媒介, 以载波的方式将信号进行高速传输的通信方式, 电力线在输送电流的同时实现信息传输的功能。目前煤矿井下的电力线载波通信通常用于煤矿电力监控以及安全监测中。本系统中照明灯基站和综保电力载波系统均连接在电力电缆上, 并通过综保设备接入工业以太网, 实现井下与地面之间的通信。综保电力载波设备结构如图5所示。

2.2可见光通信技术

可见光通信作为一种新兴的无线光通信技术, 发射端通过利用LED器件高速亮灭的发光响应特性, 发出人眼无法察觉的高速率调制的光载波信号传输信息, 接收端借助光电转换器件对信号进行接收转换, 从而获取信息[2]。 可见光通信的原理如图6所示。

发射电路包括电力线调制电路、编码电路、电力线解调电路和LED调制驱动电路。其中电力线调制电路将信号调制成适合在电力线上传输的信号后再进行传输。由于LED光源具有照明和通信的双重功能[4], 因此, 当无信号传输时, LED应正常照明。为避免出现长时间的“0”或者“1”, 采用曼彻斯彻编码电路对信号进行编码。然后将输出信号加载到LED调制驱动电路, 调制成随光载波信号强度变化的信号。当有信号传输时, 发射电路将信号加载到LED上实现调制, 当无信号时LED也应该正常发光。

接收电路包括光电检测电路、前置放大电路、功率放大电路、均衡电路、判决电路和解调电路。其中光电检测器采用PIN管, 其响应时间快, 且具有良好的光电转换特性[5]。光电检测器先将光信号转换成电信号, 但由于光电流微弱, 因此, 必须经过前置放大电路将电流转换成电压, 并减小噪声对通信质量的影响。此时的电压值仍然较小, 需进一步通过功率放大电路进行信号放大, 同时保持一个相对稳定的输出功率。均衡电路对在传输过程中发生畸变的信号进行补偿, 从而作出适合下一步的判决。利用时钟提取电路从信号码流中提取时钟信息以精确确定判决的时刻, 并逐个对码元波形进行取样判决, 从而得到原码流。最后通过解调电路得到原始信息, 传送到信宿, 从而实现了信号的传输。

3系统通信模式

煤矿井下可见光通信系统通信模式主要包括广播通信和单线通信方式, 其通信传播线路如图7所示。

(1) 系统广播通信方式设计主要包括主服务器、光基站控制台、移动台的全网广播和它们的局部广播方式。例如主服务器的广播, 由主服务器向移动台发送信息, 经过“线路1”传播, 具体实现:主服务器发送信号后, 通过调制、编码成适合在电力线传播的信号, 经过相相耦合装置把信号输送到电力线上, 传输到各个光基站控制台, 光基站控制台再通过电力线载波通信方式把信号发送到本局域网内的各个照明灯基站, 照明灯基站最后把信号重新调制、编码, 并以可见光为载波输送到各个移动终端节点。 而其他的广播形式中没有主服务器的参与, 它只是通过电力线系统把自己要发送的信息输送到其他的光基站控制台, 然后再发送到各个照明灯基站, 最后输送到各个局域网内的移动终端。局部广播方式利用主服务器、光基站控制台或移动台对部分局域网络进行广播通信。

(2) 单线通信方式主要包括光基站控制台、照明灯基站, 移动台终端和主服务器的单线通信和它们之间的单独通信方式。例如移动台1和2的单独通信路径为移动台1→照明灯基站1→光基站控制台A→光基站控制台B→照明灯基站2→移动台2。

4结语

煤矿井下可见光通信系统利用煤矿井下现有的照明电力线作为传输介质, 通过改造LED照明系统, 建立可见光通信基站, 并配合矿灯移动节点, 从而构成了覆盖巷道和工作面的通信网络。通过所设计的通信结构框架和传输通信模式, 实现了数据的双工通信。可见光通信网络在井下具有能耗低、成本低、传输效率高、可靠稳定等优点, 因此, 设计的井下可见光通信系统对井下监测监控通信系统的发展有很好的推动作用, 且具有广阔的应用前景。

摘要：针对井下现有通信网络存在有线网络易损坏、无线网络通信质量较差等问题, 设计了一种井下LED可见光通信系统。该系统利用煤矿井下现有的照明电力线作为传输介质, 通过改造LED照明系统, 建立可见光通信基站, 并配合矿灯移动节点, 构成了覆盖巷道和工作面的通信网络, 实现了照明和通信双重功能。与井下现有的通信系统相比, 该系统无自然光的干扰, 且不受电磁波干扰, 在安全性、可靠性和稳定性等方面具有明显优势, 同时成本相对较低, 在井下具有较高的实用价值。

关键词：煤矿井下,可见光通信,电力线载波通信,照明,光发射机,接收机

参考文献

[1]云文岳.室内可见光通信系统调制与解调技术[D].长春:长春理工大学, 2008.

[2]臧景峰, 朴燕, 宋正勋, 等.基于白光LED照明光源的室内VLC系统[J].发光学报, 2009, 30 (6) :877-881.

[3]孙建领.LED光源在矿井工作面照明灯中的应用[J].半导体技术, 2008, 33 (12) :1062-1065.

煤矿井下强排系统安全技术措施 篇5

安全技术措施

2015年1月16日

0

强排系统安全技术措施

一、工程概况：

刘家峁煤矿已按设计要求完成了井下排水系统，井下设有中央泵房和中央水仓以及临时水仓。排水管路及水泵已安装完毕。

二、矿水文地质特征：

1、水文地质情况：

（1）由于本矿上部为1-2煤采空区，根据实际开采情况分析，采空区内积水较少，因此上部采空区对本工作面无影响。

（2）1-2煤与2-2煤之间顶底岩性多以砂岩为主，无较大地质构造，为不导水层，多以裂隙水为主，且水量较小，对本工作面开采无影响。

（3）虽然采空内的积水不多，在开采过程中必须重视探放水工作。

2、矿井涌水量：

根据矿井初设表明：矿井正常涌水量45m3/h, 最大涌水量60m3/h。

三、安装强排系统的目的：

煤矿井下水害不仅直接威胁煤矿的安全生产，且严重威胁着矿工的生命安全。实践证明，对有突水淹井危险的矿井，卧泵加矿用潜水泵排水系统是解决矿井正常排水和抗灾抢险排水的有效方案。建立抗灾强排系统的必要性防治煤矿水害除了建立健全预测预报体系外，建立强大的防排水系统是积极有效的措施。尤其是水文地质情况复杂、有突水危险的煤矿，除了保证完善的正常排水系统外，还必须建立强排系统。

长期以来，我国煤矿井下排水系统均采用中央泵房、电机驱动卧式离心水泵的设计模式，这几乎成为煤矿生产排水的定式。电动机和开关柜等主要电器设备，虽具有防爆性，但不具有防水性。一旦遇水侵害，必然造成电气系统损坏而断电。当煤矿发生突水事故时，瞬间涌水量往往极大的超过泵房的最大排水能力，因排量不足造成泵房被淹，排水系统瘫痪，从而发生淹井事故。鉴于此，对于有突水危害或者局部突水严重难以有效治理的矿井，为了有效地预防和抢险救灾，有必要建设强排系统。卧泵加潜水泵的强排系统矿用大型潜水泵是可以全部淹没在水里工作的机电一体化设备，不仅运行安全可靠、性能稳定、振动噪音小、效率高，而且解决了大功率卧泵电机散热导致泵房温度过高的问题，尤其是在突水水患严重的煤矿，突水后仍能继续工作，可以避免淹井或延缓淹井，为人员撤离和抢救设备赢得宝贵时间，避免或减小淹井带来的巨大经济损失和社会影响。矿用潜水泵有立式和卧式两种布置方式。卧式布置设备安装、维修方便，但多台潜水泵布置在一个泵井内会使泵井宽度太大或增加泵井数量，致使施工困难，经济不合理;而立式布置可多台潜水泵同井布置，但安装起吊、维修较麻烦。因此两种布置方式各有利弊，可根据矿井围岩状况、潜水泵数量及电动机功率等确定采用立式潜水泵还是卧式潜水泵。还需注意的是强排系统的控制应设置在地面。矿用潜水泵虽然在排水方面具有卧泵不能替代的优点，但也具有要求水质高、不宜频繁起停、检修困难等不利

因素，这也是目前潜水泵没有在矿井主排水系统得到广泛应用的重要原因之一。而卧泵作为主排水设备抗灾能力又明显不足，因此，对于有突水危险的矿井，将卧泵和潜水泵组合起来，形成正常排水使用卧泵、发生水害时使用潜水泵或同时使用卧泵和潜水泵的排水系统，既方便正常排水，又能发挥潜水泵强大的抗灾排水优势，对矿井的安全生产和防治水工作具有积极的意义。大型潜水泵排水设备在抵抗水害、灾后恢复有着得天独厚的优势，已在国内外煤矿的排水系统中得到广泛应用。

矿用潜水泵不仅排水量大、扬程高，而且能在地面控制，泵房淹没后仍能正常工作，因此在有突水淹井危险的矿井中建立强大的矿用潜水泵排水系统或采用卧泵加潜水泵排水系统的方案，变被动堵水为主动排水，对避免淹井、抗灾抢险有着极其重要的意义。

实践证明，《煤矿安全规程》、《煤矿防治水规定》对有突水淹井危险的矿井增建潜水泵强排系统是非常正确的，卧泵加潜水泵排水系统是解决矿井正常排水和抗灾抢险排水有效的可操作的方案。

四、强排系统设备及管路安装：

（一）强排水泵的选择：

1、主斜井内安装的水泵型号：BQW88-110-45

2、副斜井内安装的水泵型号：BQW88-40-22

（二）安装强排管路两趟： 1、2－2煤辅助运输大巷800m处至副斜井井口安设1趟φ108强排水管路，直排地面。

2、主水仓至主斜井井口设置有1趟φ108强排水管路，直排地面。

3、安装管路采用自制的角钢（L50×50mm）焊接而成，间距为5m，每个架子采用2套膨胀螺栓(18×300mm)固定，然后用U型卡子（M10×400mm）固定钢管。

4、副斜井内管路安装在入井方向的右侧，距地1800mm，全长1300m。

5、主斜井内管路安装在入井方向的左侧，沿底铺设，全长300m。

6、采用地面供电的方式。电压等级为660或1140v。

7、强排管路先刷防锈柒二遍，再刷二遍天蓝色柒。

五、安装强排系统的重大意义：

为使矿井不再受水害威胁,确保矿井安全生产,建设矿井的强排泵房排水系统十分必要。排水方案由于潜水泵可在地面直接控制，当遭受水患时潜水泵不受淹没的威胁,对恢复生产也十分有利,有卧泵不可比拟的优点。

六、安全技术措施：

1、井下运输必须使用无轨防爆胶轮车。在开车前，司机及跟车人员必须对紧固、捆绑情况、装车次序和方向、装车数量、装车高度和宽度进行一次全面的检查，确认安全无误后，方可进行运输。

2、入井车辆驾驶员必须证件齐全（车辆驾驶证、上岗证等）,证件不全者严禁入井。司机严禁酒后驾车；司机身体状况不好严禁驾车。

3、车辆入井前，必须做车辆安全检查，司机必须配戴矿灯、自救器，穿好工作服、严禁带烟火、严禁穿化纤衣服入井；检查车辆的车况、灭火器、接地装置是否完好；严格按照规定路线行驶。

4、车辆在所有巷道行驶时，注意沿线通风设施及电缆、管路的安全，严禁撞坏通风及井巷设施。运行车辆必须喇叭完好，倒车时应有警示信号，长距离倒车时，不准取消倒车信号。

5、运输过程中必须集中精力，认真操作，在辅运大巷中重载车行驶速度不超过20km/h，空车行驶速度不超过30km/h，车辆在巷道中转弯时，速度不超过10km/h。运输途中遇有行人，要发出信号，减速通过。能见度低时，也必须减速行驶；遇特殊情况必须停车，积极采取措施处理，减少影响，保证安全。不许在坡上停车，特殊情况必须采取安全措施。

6、两车相会，升井一方要停靠一旁，关掉大灯，待对方车辆通过后再行车。支架搬运车运行时必须放好警戒，严禁人员进入通道。

7、行车中遇有路基不好或道路上有障碍物时，不得强行通过，待清除路障后再通过，车辆通过风门和拐弯必须减速慢行，并发出声光信号。

8、车辆转弯、倒车时，要预先观察来去方向是否有异常情况，转弯或倒车时要操作自如，不可手忙脚乱突然加速或刹车。

9、物件运至指定地点卸车时，必须在专人指挥下进行，严禁野蛮卸车或随意卸车。

10、装车时，随时注意车厢的变化，避免发生危险。

11、行车中遇有锚索或长锚杆，车辆要减速通过，避免刮伤车辆及使顶板破碎。车辆在运行时不得进行检修。

12、地面运输车辆，司机必须严格遵守《道路交通法》和《驾驶员管理条例》，空车行驶速度不得超过60km/h，重载车行驶速度不得40km/h，遇有行人和车辆要鸣笛示意。

13、车载物件发生散脱、窜位等问题时，司机要及时停车，经妥善处理后方可继续行驶。

14、不可抢行争路，互不相让，必须遵守行人不行车、行车不行人，“礼让三先”的行车原则。

15、严格执行敲帮问顶制度，人员在巷道内工作前，首先检查巷道内的围岩情况，确认安全后，方可工作。

16、施工前应准备好电焊机、扳手、铅丝、塑料布、电焊条、手锤、电焊机电源线等材料工具。使用前由现场负责人指定专人进行安全检查，可靠时方可使用。

17、现场负责人安排专职电工负责找好电焊机电源，并向电工交代停、送电注意事项，并在停电、接线、送电、拆线的过程中严格执行监护、验电、放电，并挂“有人工作，禁止合闸”的警示牌。

18、电焊工作必须由工作经验丰富、责任心强的电焊工担任，工作中要精力集中。

19、电焊机和其他工具及材料在使用前必须由现场负责人负责检查，禁止不完好的工具入井。

20、在使用电焊前，由瓦检员检测施工地段前后20米范围内的

瓦斯浓度（不超过0.5%），符合要求时，方可进行电焊操作。由现场负责人检查施工地点前后各20m范围内支护情况，只有在支护完好的情况下方可施工，如支护不完好，应及时进行处理，处理完毕后由现场负责人再次检查支护完好情况，支护完好时方可进行施工；施工前风筒距迎头的距离不大于6m，符合要求方可进行施工。

21、在使用电焊焊接或切割轨道时，操作过程中，瓦检员每30分钟测量一次瓦斯浓度，瓦斯超限时应立即停止作业，待瓦斯浓度降到规定值以下时，方可进行作业。

22、进行电焊工作前，先对巷道内洒水降尘，将施工地点巷道用水进行冲洗，并由现场负责人联系瓦斯检查员检查巷道内的粉尘、瓦斯浓度，符合要求时方可进行电焊作业。

23、在施工时当班安监员必须到现场监督检查，严格按本措施施工。

24、在使用电焊前，必须在工作地点铺一层沙石用来接火星，厚度不小于3mm，并准备两只完好的灭火器，不少于0.2m3的砂子，及一只水桶；并将供水管接至施工地点。灭火器材必须放在上风口。

25、使用电焊机前由现场负责人安排工作人员将使用地点的顶板用塑料布遮起，必须将电焊机放在干燥的枕木上，电焊机电源线必须挂起，准备工作就绪后方可进行焊接工作。

26、进行焊接工作时必须由现场负责人安排工作人员，将工作地点20m周围的可燃物清理干净。使用电焊机时必须由专职电工接线，并由责任心强的维修人员操作。

27、使用电焊机时，必须由专职电工对电焊机进行安装可靠的接地装置。

28、在使用电焊工作过程中要及时用水浇灭火星。

29、工作结束后，工作地点应用水喷洒，并由现场负责人安排专人在工作地点监视1小时，无异常后方可离开。

煤矿井下人员定位系统的技术探讨 篇6

随着国家对煤矿安全的重视与监管力度不断加强，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，同时如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，实现管理的现代化与信息化已成为所有煤矿企业关心的课题。

关键词：井下人员定位、双机热备、传输平台、人员标识卡

中图分类号： TD745 文献标识码：A文章编号：1674-098X(2011)03(c)-0000-00

1前言

近年来，为进一步整顿煤矿安全生产，国家不断加大安全监管力度，要求各级安全监管部门要不间断监测各矿井的安全状况，消除安全隐患，避免煤矿安全事故的发生。为此，煤矿企业积极响应国家的相关政策，采取各种措施，不断提高安全管理水平和技术手段，纷纷建设相关的配套项目。其中，井下人员定位系统，由于能够提供井下准确的人员数量和精确位置，已逐步在煤炭行业中得到了越来越多的应用，为安全管理、灾害预防以及事故救助等提供了可靠的保障基础。

2系统概述

煤矿井下地质条件复杂，作业人员流动性大，一旦发生事故，就无法确切知道他们所处的位置，给救灾工作带来极大的困难。井下人员定位系统功能就在于：让我们能借助它实时了解井下人员及机车的流动情况、了解当前井下人员的准确数量及分布情况，查询任一指定下井人员当前或指定时刻所处的区域，查询任一指定人员本日或指定日期的活动踪迹。另外，作为下井人员考勤系统，统计与考核下井人员的出勤情况，可以对任一日期或指定日期段、任一指定月份，对下井人员进行下井次数、下井时间、下井班次等进行分类统计，产生人员考勤的日报表、月报表，便于考核，并能打印相关报表。可用来规范人员的活动，防止缺岗、串岗、迟到和早退，提高矿井生产效率，有效防止只考勤不下井或下井不考勤的情况，确保考勤统计数量与井下作业人员的数量完全一致。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员定位系统所提供的数据，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

井下人员定位系统是以井下移动人员和移动设备为监测对象，主要由地面调度中心、数据传输通道、无线数据监测分站、无线编码发射器、报警装置和电源等设备组成。其中，无线编码发射器代表目标特定身份的编码信号，由数据监测分站接收、处理后，通过传输通道传至地面调度中心。地面调度中心对接收到的包括时间信息、位置信息和目标特征码的数据进行处理，形成可供用户随时查询的多种应用文件或图表，实现了对井下人员和运输车辆位置进行监测等功能，具备了多种报警方式，并利用网络技术手段将国家监管机构、集团、矿区三级网络进行互联，实现了信息共享。

3系统组成与结构：

1、地面调度中心：

地面调度中心是对监测分站的信息和数据进行处理，并通过文字、图形、图像等形式，真实表现井下作业人员的当前状态和告警信息，并且根据要求，保存历史资料和进行统计分析。

一个完善的地面调度中心主要是由数据应用服务器、数据库服务器、WEB应用服务器、短信服务器、实时操作终端、打印机以及声光告警模块等组成。

当地面调度中心得到监控信息和数据时，将向数据应用服务器发出请求，数据应用服务器根据不同事务按照编制的软件进行处理，当应用服务器需要某些数据或要进行数据库操作时，就会向数据库服务器发出请求，这时数据库服务器响应，提供所需数据或完成请求操作，应用服务器得到响应完成处理向请求方发出响应，完成整个过程的处理。在这些处理过程中，数据应用服务器可以将被监控对象信息、状态实时展示在显示终端上，根据告警级别进行声光告警，并且还可以根据不同事务向短信服务器发出请求，通过手机短信向相关负责人发出有关信息，即使人在外地也可以通过互联网访问WEB服务器，在权限范围内查询被监控对象的实时状态和信息，另外，地面调度中心可进行丰富的业务管理，分析和统计各项数据，为高层管理人员提供决策依据,对不同管理员可设置不同的操作权限并在其使用过程中进行实时监控，

2、井下部分：

以人员定位分站、动态目标识别器、人员标识卡、矿用电源箱、矿用数据传输光端机等作为井下人员信息无线检测处理的基本单元。在井下主巷道、分支巷道和监测点等区域采用人员定位分站+矿用本安电源+动态目标识别器+矿用数据传输光端机的连接方式，与矿井工业以太网的交换机相连接，组网灵活、方便，同时可与矿井综合自动化系统并网运行。

3、传输平台：

煤矿井下人员定位系统是以工业以太环网（GEPON网）作为信息传输平台。各监测分站采用标准485通信方式，在井下建成环网以后，可直接通过GEPON环网传输数据与信息。

GEPON（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）是千兆无源光纤网络,采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和 TDM时分 MAC媒体访问控制方式，并能提供多种综合业务的宽带接入技术。其主要特点是成本低，带宽可动态分配，系统稳定，易于安装维护，故障率低，组网灵活，易于扩展, 适合于综合传输视频、数据、语音等信息。

主要技术参数

主干网络通信速率：1000Mbps；

主干网络传输距离：15km；

网络节点数：单台OLT支持4个环网，40个节点；

网络节点通信速率：10-100Mbps可调；

线路冗余切换时间：小于100mS。

4、数据库备份：

对于井下人员定位系统的软件部分来说数据库是十分重要的，一旦数据库出现问题造成数据丢失，将使整个系统瘫痪，无法运行。目前，在数据库服务器中安装的数据库，一般采用Sql Server 或Oracle等大型关系数据库管理系统。完备的数据库备份策略,对于发生自然灾害（如：火灾、水灾等）、病毒攻击、人为操作失误等造成的系统瘫痪，可以通过备份的数据迅速还原数据库，使系统在很短的时间内恢复正常运行。

数据库备份一般采取本机备份和异地备份，即在数据库服务器本机上进行数据自动备份，然后再将备份好的文件定期自动拷贝到其它地方的某一台计算机上，这样，系统数据库的备份策略将是十分完善和可靠的。

4井下人员定位系统遵循的基本设计原则：

4.1先进性、成熟性

使用先进、成熟、实用和具有良好发展前景的技术，使得整个系统既能满足当前的需求，又能适应未来的发展。

4.2可靠性、安全性

实时监控的不间断性，决定了在设计中必须考虑提高系统运行的可靠性，因此，系统在硬件选型、线路、支撑环境及结构上都选用了高质量的材料，并采用了先进的防火墙技术，以确保安装的监控主机、分站、接收器、发射器与布线系统，能适应煤矿井下高温、高湿、瓦斯等严格的工作环境，实现了系统稳定。

4.3易操作性

以易于使用的图形人机界面功能，为信息共享与交流、信息资源查询与检索等提供了有效的工具。

4.4实时性

分站接收的信息和监控主机显示都能快速反映，充分满足实时性的需求。

4.5完整性

提供与各种外界系统通信的功能，确保信息的完整性并充分利用在整体系统的运作上。

4.6互联性和扩展性

充分考虑将来需求的空间，所提供的系统平台与技术充分配合，满足未来功能及扩充项目的需求，以避免将来重复的投资。标准化、结构化、模块化的设计思想贯彻始终，奠定了系统开放性、可扩展性、可维护性、可靠性和经济性的基础。

5煤矿井下人员定位系统应具备的主要功能

5.1 报警功能：

对于指定的禁区，如果有人员进入，实时报警，并将报警信息以语音提示、弹出窗口等方式显示，并显示进入禁区的人员信息，对于井下矿工的求救报警，除了以上提示外，在采掘平面图或巷道布置平面图上能切换到求救人员的位置，并且闪烁；通过设定相应工种的下井时间，对超过时间的人員发出报警，并调出相关人员的信息。

5.2 人员轨迹和信息查询功能：

可查询当前井下人员的数量及分布情况。查找任一指定井下人员在某个时间段内的活动轨迹，并在图中画出实际的行走轨迹；选定某一区域，可获得当前该区域的人员信息，选定某一无线读卡器，可获得经过无线读卡器的人员信息和时间，以及所在区队班组、主要工作地点、每月下井次数、下井时间、每天下井情况等信息。

5.3 丰富的地图功能：

具有放大、缩小、移动、标尺测距、视野控制、中心移动、图层控制、地图打印等功能。具有矢量图管理功能，能够对工程图进行矢量化和矢量图属性编辑功能，具有放大、缩小和移动功能，并能在矢量图上定位并显示人员的准确位置和基本信息(姓名、性别、年龄、单位、职务、通讯电话…)。能对入井人员信息按照工作单位、职务、工种等情况进行分类检索和报表打印输出。

5.4 紧急求救功能：

发生紧急事件时，通过矿工配带的无线编码器可主动发出求救信号，及时、准确地发现紧急情况，同时系统提供最佳逃生路线，最大程度上保证救援工作的及时性。

5.5 人员搜救功能：

遇到灾变等严重情况时，首先利用监测中心站最新的位置信息发现遇险人员的大致地点，然后利用手持的无线搜救仪去寻找定位卡，精确的寻找遇险人员位置。这样极大的方便了人员搜救，使遇险人员能够得到及时救助。

5.6 完善的考勤功能：

可与地面考勤系统互联，用来规范人员的活动，防止缺岗、串岗、迟到和早退，在实际运用中，提高了矿井生产效率，有效防止了只考勤不下井的情况，能分类统计，产生考勤日报表、月报表，便于考核，并能导出多种格式的报表数据，方便存储归档，确保了井下作业人员的出勤率。

6煤矿井下人员定位系统的技术特点

1、设备适应性强、无阻碍通过：

能对煤矿巷道远距离移动目标进行非接触式信息采集，识别无盲区、信号穿透力强、安全保密性能高、对人体无电磁污染、环境适应性强、可同时识别多人，通行方式无限制，允许多人“成群接队"、“成组成群”通过，通过时不用作任何操作，无阻碍通过，不影响井下人员的正常通行和正常作业；

2、结构简单、可扩展性强、维护方便：

系统采用四级模式，专用动态目标识别器可根据用户需求灵活配置，并可随开拓进度随时扩容，配置分站及动态目标识别器越多定位区域越多，人员定位的位置越准确；设备采用模块化设计管理、维护方便；

3、设备可复用，减少投资：

人员定位系统网络可以和原有的安全监测系统共网复用，减少用户投资；也可以在人员定位系统网络中加各种类型的传感器，构成多功能的综合监测系统。

7结束语

近几年，通过对井下人员定位系统在煤炭行业的不断推广与应用，使我们充分认识到人员定位系统在煤矿应用中的重要性，该系统通过多硬件集成，特定软件辅助，组成了一个功能强大又结合生产实际需求的管理平台，提高了矿井安全管理水平和工作效率，实现了资源共享，保证了数据的准确性与完整性，为矿井的抢险救灾与安全救护，提供了可靠的数据信息。事实证明，煤矿井下人员定位系统是当今煤炭行业安全生产的充要条件，属于安全生产管理重要的组成部分。

参考文献：

煤炭科学研究总院常州自动化研究院 《工矿自动化 》2010年第4期 祁南煤矿人员安全监测系统的改造 汪彦峰

煤矿井下无线通信系统论文 篇7

关键词：WIFI技术,无线通信,煤矿开采

众所周知, 随着我国近些年来通信技术极其迅速的发展, 各大小网络用户的需求与过去相比较而言具有非常显著的提高, 尤其是具有独特优势的Wi Fi已经涉足到了生活以及生产的各个角落。大量的事实证明, 通过这种方式不仅仅更加快捷高效, 而且可以节省很大一部分开支, 因此一定会成为今后发展的必然趋势。相比较而言, 移动通信 (简称3G) 系统, 虽然说它具有很高的移动性, 并且覆盖范围广, 但数据传输速率却很难满足人们当前的需要, 利用Wi Fi数据传输就能够很好的弥补这个方面的不足, 采用这种方式不但可进行多接入切换功能, 与此同时还可利用蜂窝移动通信网络比较完善的计费与鉴权机制, 进一步扩大其业务量。

一、如何建立在Wi Fi技术基础上的煤矿井下应急救援系统

大家都知道的是, 一旦发生的煤矿井下事故, 煤矿井下电力供应会自动的完全切断, 这样一来会直接导致现场混乱, 同时会造成大量的人力物力财力的损失, 因此建立的救援系统应当从结构上由井下无线链路、地面指挥调度中心与灾变现场救护队三大部分所共同组成。其中井下无线链路的部分在通常情况会由多个部分组成, 他们分别为无线传输链路部分、井下救援基地等。

二、如何建立无线通信信道

具体地说, 就是救援人员会根据实际需要将控制命令通过wi Fi链路的中心节点FFDl (连接在计算机上的) 发送至小车上的RFD采集终端位置。等到终端设备收到救援基地发出的命令后, 会在第一时间将命令传送给节点的布放装置 (装载着多个链路) , 接下来会按照所指定的方向向前推进。值得注意的是, 在推进过程中采集终端会持续不断地发送所需要的参数信息, 与此同时救护人员会根据

信号强度的大小不同来建立链路。当信号强度达到或者接近我们事先指定的门限值的情况下, 运输小车会接收到相关命令而停止前进, 此时救援人员通过井下救援基地的电脑发送与之对应的相关命令再投放节点。这一系列的动作全部结束后, 命令小车会继续前进。除此之外, 在建立链路过程中, 同时也会送回救援前端的各种不同类型环境参数, 救援人员要准确而且快速的分析并且处理这些环境参数后来合理安排救援工作。

三、合理设计井下WIFI无线通信系统

一般地说, 设计井下WIFI无线通信系统的硬件主要包括链路路由设备与采集终端设备两部分。其中采集终端设备应该实现以下几大主要功能: (1) 通过各种传感器来对各种所需的环境参数进行采集; (2) 接收井下救援基地的相关控制命令; (3) 发送这些接收到的环境参数到井下救援基地。具体如如图1所示。

从图中我们可以看出, 链路的路由器设备的主要责任是传输接力信号, 也就是我们所说的WIFI模块。对于路由器而言, 我们当前所面临的最普遍性的操作通常就是配置模块的参数, 因此我们最为常用的方式就是使用PC机上的串口通过AT命令 (或专用配置软件) 配置参数。具体如图3所示。

四、结束语

综上所述, 随着WIFI在各大领域的广泛应用, 煤矿灾害事故的应急救援也紧跟时代发展的潮流而充分的应用了这项最新技术, 并且取得了不俗的效果。从以往大量的实践结果表明, 如果建立救援通道迅速而且及时的话, 往往可以最大限度的减少煤矿灾害所带来的巨大损失 (包括人力物力财力) , 与此同时我们应当在具体应用中根据环境的不同来不断调整系统参数来更好的满足应用要求, 从而为更好的减少矿井事故而做出应有的贡献。

参考文献

[1]侯镇.基于WIFI技术的井下无线调度通信系统的实现方案[D].东南大学:电子与通信工程, 2012.

[2]李培轩.基于WIFI的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究[J].中国安全生产科学技术, 2011, (04) .

[3]将文峰.基于WIFI技术下的煤矿井下应急救援无线通信系统设计分析[J].电子世界.2014, (08) .

煤矿井下无线通信系统论文 篇8

目前,煤矿井下无线通信技术主要有载波通信技术、漏泄通信技术、感应通信技术、井下PHS通信技术、井下WCDMA、TD-SCDMA通信技术、WiFi通信技术。它们都是采用基站或中继器与无线终端进行通信,再利用有线方式进行交换处理,只能满足煤矿日常生产工作的需求。当煤矿井下发生灾害时,为了保证安全,避免发生二次事故,井下电力供应将完全中止,且灾害可能会导致井下已安装的各种通信设备无法启动和正常运行,传输通道也可能受损,使通信难以维系。透地通信系统虽然能将无线电波(长波)通过大地直接输入井下,但由于系统存在信道容量小、单向通信、电磁干扰大、耗电大、传输效率低、应用范围受限制、施工难度大等问题,因此不适用于煤矿井下的抢险救灾。而Mesh技术因其具有多跳性和可扩展的网络结构,特别适用于建立煤矿应急救灾通信系统。

1 Mesh网络技术特点

无线Mesh网络作为下一代无线网络的关键技术之一,近几年得到了快速的发展。Mesh网络是一种动态自组织网络,具有可以不断扩展的网络架构;是一个无线多跳网络及高容量、高速率的多点对多点网络,任意的2个设备均可以保持无线互联;是面向基于IP接入的新型网络,由ad hoc网络发展而来,节点以ad hoc方式组成网络并维持Mesh结构,通常把它看作ad hoc网络的一种简化版本,但两者有一定区别。无线Mesh网络中的接入点既可以作为ad hoc的对等数据转发实体,完成数据路由转发功能,又可以作为一种连接到其它有线网络的网桥连接器[1]。

无线Mesh网络的技术原理是每个网络节点都对其它节点发送来的信息包进行处理,当是自己的信息包时不再传送;当是其它节点的信息包时,将信息包再次传送出去,直到到达目的节点。因此Mesh网络具有极高的自由度及扩展度。

无线Mesh网络的系统架构特点:

(1) 成本低,组网简单

由于无线Mesh网络摆脱了对基础设施的依赖,网内用户只要打开通信设备即可迅速形成一个覆盖一定范围的无线通信网,故组网成本低,过程简单,非常适合缺乏基础设施或基础设施被毁坏,以及需要快速部署或临时安装网络的地方。

(2) 传输距离远

在无线Mesh网络中,每个通信设备既是通信节点,又相当于一个中继站。当通信对象超出单机信号传输距离时,系统会自动搜寻最近的节点作为中继,并将信号传输到最终目的地,大大拓展了通信距离。

(3) 功耗低

从物理角度看,一台设备发射无线信号的距离越远,所需要的能量越大。随着通信距离的增加,无线信号不但会衰弱,而且会相互干扰,从而降低数据通信的效率。无线Mesh网络可以在一条长距离的传输路径上,通过多个Mesh终端或Mesh路由器对信号数据进行中继传输,使每个设备能量降到最低,保证通信设备在采用电池供电方式时也能长时间工作。

(4) 可靠性高

传统的无线网络依靠固定接入点进行信号传输,一旦接入点出现故障,可能导致某一区域的网络陷入瘫痪。而在无线Mesh网络中,每个通信设备都相当于接入点,如果最近的节点出现故障或受到干扰,数据会自动跳转到其它路径继续传输,整个网络的运行不会受到影响[2]。

(5) 多信道传输

传统的无线网络技术都基于单信道的MAC协议,限制了网络的数据传输速率。无线Mesh网络通过使用多信道MAC协议,可使不同节点在不同的信道上同时传输,从而有效减少碰撞和干扰,提高系统的吞吐量[3]。

2 Mesh网络在煤矿井下应急通信系统中的应用

2.1 煤矿井下应急通信系统的特点和要求

煤矿井下灾后现场环境复杂,存在瓦斯、一氧化碳等有害气体和积水。为了保证安全,煤矿应急通信系统必须满足以下要求:

(1) 设备小型化。由于事故发生后基本上依靠救援队伍人工勘察和抢救,因此通信设备必须轻便,有利于人员携带,同时能够满足迅速运输要求。

(2) 安全节能。由于灾害发生时,井下无外部电源可用,所有通信设备必须完全依靠电池供电,因此设备必须为本质安全型,同时尽可能地节省电源,满足长时间、稳定工作的需要。

(3) 快速布设。 抢险救灾有极强的时效性,应急通信系统应该具有能够快速按需布设的特点。

(4) 移动性。系统必须由可携带的、可重新部署的或完全机动的设施组成,以解决救援人员移动通信的需求。

(5) 简单易操作。应急通信系统要求设备简单、易操作、易维护,能够快速建立、部署、组网,所有接口标准化、模块化,同时要保障开机即用。

(6) 数字化。通信设备不仅能提供语音通信,还要提供数字接口,有利于现场各类已有的、可用的设备接入,提高系统的可扩展性。

(7) 脱网性。井下条件复杂,系统应能在人员脱离主网的情况下,保证就近人员通过点对点方式进行通信。

(8) 长距离。有的井下巷道距离很长,系统必须能满足从井口到现场数公里的无线传输要求。

(9) 高带宽。系统要提供足够高的带宽,满足语音、图像、视频及各类环境数据的传输要求。

(10) 多跳性。井下巷道多起伏和弯转,无线设备在不可视的情况下,必须能够通过多跳的方式进行无线传输。

2.2 系统组网方案

笔者根据煤矿应急通信的特点,提出一种基于无线Mesh网络的煤矿井下应急通信系统,用于发生矿难时为救援人员提供各种信息。在调度指挥中心甚至异地,救灾专家和指挥人员可以利用该系统实时监测井下环境,并与现场施救人员沟通,以迅速作出指挥决策,将灾害损失降到最低。

系统结构如图1所示。该系统在调度中心安置Mesh多业务网关,并在各巷道沿线事先安放数量不等的Mesh设备。正常情况下,这些设备处于充电状态,保证电池电量满。若发生紧急情况,矿工在撤离时按预案取出Mesh终端进行网络敷设,以保障整个系统正常运行。紧急救灾队员在施救过程中只需各自佩戴一个终端设备即可。在构建系统网络之前应事先针对矿井巷道的实际情况进行勘点和测试,在巷道沿线对Mesh路由器和Mesh终端设备放置地点进行标识和记录。

(1) 综合网关

作为多协议接入网关,综合网关可接入传统的ISDN,通过数字E1或模拟FXO口与矿上现有的程控交换机对接,同时还能与基于IP的各类应用程序相对接,实现综合应用效果。综合网关还应保障应急通信时的语音(包括广播、点对点通信和分组对讲等)及数据业务。

(2) Mesh路由器

Mesh路由器构成Mesh网络的主干部分,并向Mesh客户端提供无线接入服务。通过多跳路由,Mesh路由器可用较低的功率覆盖相同的面积。为了进一步提高无线Mesh网络的灵活性,Mesh路由器具备多种无线接口,以支持多种无线接入技术。Mesh路由器与传统无线网络路由器在硬件结构上基本相似[4]。

Mesh路由器不仅提供基本的路由功能,还可在控制管理功能上以多信道的方式对就近终端进行分段。在无线传输中,同一频点下每一跳带宽的吞吐量约为50%,7跳后带宽的吞吐量将降低至1%。另外,无线传输过程中存在噪声干扰及传输竞争,使得带宽更低。为解决该问题,必须对网络进行分段及多频处理。由于Mesh路由器位置相对固定,因此可将Mesh路由器无线接口设计为多接口多信道。在使用过程中,Mesh路由器按协议对网络进行分段,将不同段中的Mesh终端信息按路由协议规则进行存储转发,以提高传输带宽,保障信息吞吐量。

(3) Mesh终端

Mesh终端也具有Mesh路由功能,但其在软硬件方面要比Mesh路由器更为简化。在通信协议方面,Mesh终端是轻负载的,一般只需提供一个简单的无线接口即可[5]。针对不同功能及功耗,Mesh终端可分为以下3种:

① 仅用于多跳传输

煤矿井下巷道长,很多巷道的最远端距离井口可达数十千米。而抢救人员数量较少,为了保证在抢险过程中井下信息能够通过多跳方式传送到地面,必须沿途敷设较多的Mesh终端设备。该类Mesh终端主要用于传输多跳信息。

② 用于环境监测

为了保障抢救人员的安全,预防二次事故的发生,需要采用Mesh终端设备对沿途的危险环境进行实时监测。该类终端设备不仅能实现信息多跳传输,同时可将瓦斯、一氧化碳和水位等环境数据发送至网络。

③ 用于抢救人员佩戴

用于抢救人员佩戴的Mesh终端设备为综合功能设备,可提供语音、图像、视频和环境监测功能,并且在环境参数超限时提供声光报警。同时,它还提供各类数据接口与各类外围专用设备对接,并提供在脱离主网时与就近Mesh终端通信的功能。

Mesh路由器及Mesh终端必须有工作状态异常及欠压报警功能,提示更换设备或电池,保障系统各节点正常运转。

2.3 系统优化的关键技术

(1) 网元功耗的最小化

系统采用电池对井下网元设备供电,在长时间的抢险救灾过程中,应减少更换设备和电池的次数,以减少抢险人员进出井下的次数和工作量。同时在同等电池容量条件下,可将网元设备进行最小化设计,提高其携带性。

(2) 网元无线性能的提高

提高网元设备的无线接收灵敏度,可在同样巷道条件下达到减少相应网元设备数量的目的。

(3) Mesh路由器功能的完善

随着路由协议的丰富和抢险过程的需求变化,应不断完善Mesh路由器的信道利用率及控制功能,以降低通信时延,提高网络的吞吐量。

(4) 综合网关功能的多样性

应不断将各类抢险专家系统接入或集成到应急通信系统,以提高抢险效率和成功率。

3 结语

无线Mesh网络具有多跳性、低功耗终端和长距离传输的特点,为搭建简便、高性能、低造价、低维护成本的煤矿井下应急通信系统提供了新的技术支撑。在井下发生灾害时,基于无线Mesh技术的煤矿井下应急通信系统可对井下环境进行实时监测,并提供调度中心与现场施救人员的实时通信功能,便于专家和指挥人员迅速作出指挥决策,最大程度地降低灾害损失。

参考文献

[1]刘月阳.无线分布式网络中基于能量的路由算法和MAC算法研究[D].北京:北京邮电大学,2006.

[2]张萌.无线Mesh网络中视频组播传输技术研究[D].南京:南京邮电大学,2011.

[3]马骥.无线Mesh的网络安全性研究[D].北京:北京邮电大学,2009.

[4]李鸣,刘月阳.三种无线分布式网络的比较[J].电信科学,2007(2):95-98.

煤矿井下无线通信系统论文 篇9

在地面移动通信迅速发展的今天, 煤矿井下对移动通信的要求也越来越高。煤矿井下巷道具有分布复杂、巷道距离远等特点, 若采用地面传统的架设基站的方式则成本太高, 覆盖也较难完善。针对该问题, 本文以KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统为例, 介绍光纤直放站在煤矿井下CDMA无线通信系统中的应用。

1 煤矿井下光纤直放站工作原理

煤矿井下巷道总体呈带状分布, 若采用地面传统的架设基站的方式, 受井下巷道条件的约束, 单个基站覆盖范围非常有限, 要覆盖井下所有巷道, 就需要很多井下基站才能实现, 则成本太高;同时井下巷道弯道和岔道较多, 覆盖也较难完善。

光纤直放站价格较为便宜, 采用光纤直放站将无线电射频信号转换成光信号传送到煤矿井下目标巷道, 同时将井下无线电射频信号转换成光信号传送到地面, 既可解决投资成本问题, 又可解决地面与井下的通信信号传送问题和井下的通信信号覆盖问题。

KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统结构如图1所示, 光纤直放站地面近端设备将地面送往井下的无线电射频信号转换成光信号, 该光信号通过光纤传送到井下目标巷道中的本安远端模块, 由本安远端模块再将光信号转换成无线电射频信号, 该信号送入射频单元进行放大, 再通过功分器或耦合器将射频信号分配后, 由天线或泄漏电缆将无线电射频信号传输到目标巷道并完成无线电射频信号的覆盖。反之, 井下本安远端模块则将井下送往地面的无线电射频信号转换成光信号, 该光信号通过光纤传送到地面近端设备, 地面近端设备再将光信号转换成无线电射频信号。光纤直放站的数据传输原理如图2所示。

另外, 地面设备管理平台软件可监测并调整光纤直放站的功放输出、调节增益、监控各模块工作状态。地面设备管理平台软件可实现的功能如表1所示。

2 光纤直放站在矿用CDMA通信系统中的应用

山东枣庄矿业集团柴里煤矿井下巷道长为20 km, 其中主要运输行人巷道长为10 km。为了解决井下流动人员和生产调度中心之间、井下流动人员和地面固定办公电话之间、井下流动人员和井下生产电话之间的通信问题, 该矿选用了煤炭科学研究总院常州自动化研究院研制推出的KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统。

KT28型矿用CDMA无线通信系统在柴里煤矿地面机房机柜内布置光纤直放站地面近端设备组件, 组件采用标准的48 V不间断通信电源供电。井下主要巷道共安装12个KZG1矿用无线信号变换器 (光纤直放站本安远端机) , 每个井下变换器配备1台矿用隔爆兼本安不间断电源箱供电, 电源箱通过井下巷道照明电路取电。地面近端设备与井下变换器之间通过专门铺设的井下光缆通信。

光纤直放站的应用解决了柴里煤矿井下巷道无线电射频信号的覆盖问题, 很好地保证了煤矿井下无线通信的质量, 为煤矿井下和生产调度中心实时快速的信息沟通提供了先进可靠的通信平台。该平台不仅解决了煤矿现有巷道的无缝覆盖, 在煤矿井下巷道不断拓展的同时, 还能够方便、灵活、快捷地扩大信号覆盖的范围, 提高了煤矿井下生产的效率, 取得了良好的经济效益。

柴里煤矿的应用实践还证明, 矿用CDMA无线通信系统应用光纤直放站后具有以下特点:

(1) 覆盖设计和工程施工更为灵活。应用光纤直放站后, 设计时无需考虑安装地点能否接收到信号, 也无需考虑收发隔离问题, 方便了井下本安远端机的选址;同时可根据需要采用天线和泄漏电缆组合的方式实现井下巷道信号覆盖无盲区。另外信号能够通过光缆传送到远达20 km的地区, 且传输衰耗很小, 普通单模光纤的衰耗为0.18 dB/km, 并且可以通过调整光纤直放站的增益来补偿光信号的衰减。光缆很细, 容易铺设。

(2) 设备工作稳定, 覆盖效果好。信号通过光缆传送, 不受井下巷道远、环境复杂等因素的影响。

(3) 避免了同频干扰, 可全向覆盖, 干扰少。

(4) 可提高增益而不会自激, 有利于加大下行信号的发射功率。

3 结语

在煤矿井下应用光纤直放站是CDMA无线通信技术的一种创新。本文介绍了光纤直放站在矿用CDMA无线通信系统中应用的工作原理及具体实施方案。应用结果表明, 光纤直放站能够较经济地解决煤矿井下巷道无线电射频信号覆盖的问题, 且通信质量较好, 提高了矿井生产效率。

参考文献

[1]常永宇, 桑林, 张欣.CDMA2000-1X网络技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.

[2]啜钢, 高伟东, 彭涛.CDMA2000 1X无线网络规划优化及无线资源管理[M].北京:人民邮电出版社, 2007.

[3]张农.直放站在蜂窝移动通信网中的应用[J].邮电设计技术, 2000 (5) .

煤矿井下无线通信系统论文 篇10

煤矿井下具有很多的电磁干扰源, 这些干扰源产生的电磁干扰对井下通信和监控系统具有一定的干扰作用。由于井下的电磁干扰与地面的电磁干扰在传播特性上不同, 因此, 它们具有不同的特点。而目前对煤矿井下电磁干扰研究的较少:王艺华的“煤矿井下甚高频电磁干扰分布的分析”[1]对煤矿井下甚高频电磁干扰的形成机理进行了分析, 提出了VHF电磁干扰分布规律和对电磁干扰定量分析的认识;王晓珠的“煤矿井下电子设备防电磁干扰的方法”[2]主要定性地分析井下电磁干扰的来源及传播途径, 提出具体的抑制电磁干扰的方法;其它关于煤矿井下电磁干扰的论文主要是如何抗干扰方面的。对于电磁干扰对井下通信和监控系统的影响情况, 前人都没有进行具体的分析。随着煤矿井下电磁兼容性研究的逐渐开展, 对井下电磁干扰源、干扰源干扰的大小以及影响的范围等, 需要逐步地研究。本文借助电磁波在井下的传输特性来分析电磁干扰的影响情况, 并结合试验测试结果进行分析。其结果对于井下无线通信设备及监控设施的电磁干扰分析具有一定的理论意义和实用价值。

由于煤矿井下巷道内情况十分复杂, 巷道中有钢轨、支架、风门、照明线和动力电缆等, 巷道壁凹凸不平, 巷道纵横交错、拐弯抹角。电磁干扰的传播影响是极其复杂的, 因此进行理论研究时常假设巷道是空的, 下面以矩形巷道为例进行研究分析。

1 电磁波在矩形巷道的衰减

假定巷道四周为理想的导电体, 对于宽为a、高为b的矩形波导, 其截止频率为

undefined

式中:m和n为整数, (m, n) 序数对表示波导模式的阶数。当电磁波频率低于其截止频率时, 模式迅速衰减, 也就是说模式只有衰减而没有相移。其衰减率由式 (2) 给出[3,4]:

undefined

式中:C=3×108 m/s, 为真空中的光速;f为电磁波频率;fc为巷道主模电磁波截止频率。具有最低截止频率值的模式称为主模, 主模的截止频率称为波导截止频率。当电磁波频率低于波导截止频率时, 一切模式都是迅衰的, 也就是说电磁波无法在波导中传播。如果巷道高为3 m, 宽为5 m, 其主模截止频率为30 MHz, 对于10 MHz的干扰信号, 每米衰减率为5.15 dB/m, 当频率低于3 MHz时, 每米衰减率约为5.4575 dB/m, 因此, 对于低于30 MHz的电磁干扰信号根本不能向远处传播, 是迅衰的。如图1所示。

当电磁波频率高于截止频率时, 模式的衰减率由频率、波导形状和截面尺寸等因素决定, 矩形巷道的衰减率[5,6]:

式中:λ为波长;h、v均为水平极化模式;ε1为两侧壁的相对介电常数;ε2为巷顶和巷底的相对介电常数。假设矩形巷道宽为5 m, 高为3 m, 巷道围岩的相对介电常数为10, 电导率为0.01 s/m, 衰减率随传播频率变化曲线如图2所示。

从图2可知, 各个模式的衰减率总是随着传播频率的增高而下降的, 在频率较低的频段, 衰减很大, 频率较高的频段, 衰减很小。在0500 MHz后, 衰减率的下降幅度变缓, 并保持一个比较稳定的数值。

2 煤矿井下电磁干扰分析

按电磁干扰的来源分类, 煤矿井下电磁干扰可分为自然干扰和人为干扰2类。

自然干扰源根据其不同的起因和物理性质可分为宇宙噪声、雷电、热噪声3类。宇宙噪声和雷电对位于地表的干扰源来到位于数百米深处的巷道中的接收点时, 将变得极微弱, 可以不作考虑;而热噪声是井下电气设备不可避免要发出的, 它的干扰电平很小, 而井下的电磁环境比较恶劣, 干扰电平较高, 这样就把热噪声给湮没了, 所以也不用考虑热噪声的干扰。因此, 煤矿井下的电磁干扰源可以不考虑自然干扰。

在煤矿井下, 人为干扰源分为电力线路、大功率设备和馈电开关、牵引网络和电机车、电力电子系统、高频无线发射装置、静电放电及其它等。

(1) 电力线路、大功率设备和馈电开关

煤矿井下供电系统电压等级多, 供电系统是由电感、电阻和电容组成的网络, 在一定的参数配合下可能对某些频率产生谐振, 出现过电压和过电流。由于变压器铁芯的非线性, 高次谐波电流会使电源电压波形畸变, 电源的高次谐波电压通过电容耦合, 会在二次设备上产生高次谐波感应电压和感应电流[7]。这类干扰以开关操作产生的瞬变电磁场对电子设备的危害最大。在开关动触头的开、合动作过程中会产生大量的电弧 (包括预燃和重燃) , 电弧的持续时间大约从几μs到几ms, 上升时间为ns级。开关动作产生的典型过电压值约为相电压幅值的2倍。在某些特殊的情况下, 由瞬变电磁场产生的过电压能达到相电压幅值的6.5倍。因此供电线路以及高压大功率设备产生大量谐波传导电磁干扰, 沿传输线路产生高频辐射干扰, 而馈电开关产生电压很高的传导干扰以及频率很高的电磁辐射干扰[8,9]。电源线干扰源的频率范围在50 kHz～4.0 MHz之间, 开关形成的电弧频率范围在30～200 MHz内。

(2) 牵引网络和电机车

矿用架线电机车系统包括固定的电磁干扰源, 如牵引变电所整流设备以及线路的故障放电;流动的电磁干扰源, 如机车上的设备以及受电弓与接触网导线的接触点。受电弓与滑接馈电线间不断地发生火花, 这些火花产生的脉冲干扰是一些振幅和持续时间都带有随机性的经常重复的大脉冲群。

(3) 电力电子系统

电力电子装置在煤矿中的应用越来越多, 如煤矿中的交-直流变换、有源功率补偿电路、变频调速系统等, 对煤矿电网带来的影响包括功率因数的下降、高次谐波增加等。变频器的输出侧采用PWM型逆变电路, 其载波频率较高, 最高PWM载波频率为12 kHz, 逆变电路中电压和电流高速开关动作使其输出电压、电流波形均有高次谐波。变频器内电压和电流高速开关动作产生的高次谐波可达20 MHz, 但主要是在100 kHz～5 MHz 范围内的无线电频率, 其能量可传播很远的距离, 形成对周围电路的电磁干扰[10]。变频器本身不会通过辐射产生很多的电磁干扰, 仅在其100 mm范围内有较强的电磁干扰。但电磁干扰强度随距离的增加而迅速衰减, 在距变频器300 mm处电磁干扰的强度就变得很弱了。

(4) 高频无线发射装置

煤矿井下的无线通信设备, 本身发射的电磁能量都是带有信息的, 对于其本身来说是有用信号, 而对于其它系统就成为无用的电磁干扰, 特别是对于井下监控设备来说就是电磁干扰。

(5) 静电放电

井下能产生静电的设备和场所很多, 采煤机、掘进机在切割、破碎煤、岩石的过程中, 可能在煤壁、岩壁上产生静电;胶带输送机的传动带与煤、滚筒、托滚 (尤其是塑料托滚) 快速摩擦产生静电, 经常出现静电放电, 产生静电电磁干扰。

(6) 其它

井下的照明设备, 最常用的是荧光灯, 它是靠水银蒸汽放电时发出可见光和紫外线, 后者又激励管内壁的荧光粉而发光的。无论是气体放电或放电管内形成的等离子体, 都是电磁干扰源。日光灯电弧的频率范围在100 kHz～3.0 MHz之间, 荧光灯的频谱为0.1～3 MHz (峰值在1 MHz左右) 。

3 井下电磁干扰实测情况

煤矿井下电磁干扰分析非常复杂, 特别是对井下通信设备和监控设备电磁干扰影响情况很难做出准确的理论分析, 因此, 中国矿业大学电磁兼容基础性研究课题组对煤矿井下设备的电磁干扰情况进行了实测。

2007年4月对河南平顶山煤业集团二矿和四矿的井下牵引网络和电机车、井下变电站、变频器、井下巷道以及输送机电磁辐射干扰进行了实测, 测试频率为100 kHz～2 060 MHz。图3为测试频段为0～160 MHz的煤矿井下电磁干扰测试结果。

测试结果分布情况如下:

(1) 井下巷道内电磁干扰强度很小, 说明井下电缆辐射电磁干扰很小, 可以忽略;

(2) 井下电机车运行时产生的电磁辐射干扰主要在300 MHz以下, 比较大的电磁干扰出现在100～160 MHz之间, 最大值出现的频率为138 MHz, 其值为-34.5 dBmV/m, 160～560 MHz之间干扰值较小, 在560 MHz以上基本上没有电磁干扰;

(3) 井下变电站的测试结果:最大辐射干扰出现在112 MHz, 其场强值为-19 dBmV/m, 电磁干扰出现的频率主要在180 MHz以下, 在180～540 MHz的值比较小, 一般在-55 dBmV/m以下, 在 540 MHz以上基本上没有电磁干扰;

(4) 变频器电磁干扰频谱较宽, 在1 200 MHz以下都有电磁干扰, 在 500 MHz以上电磁干扰具有周期性, 500 MHz以下频段内都有电磁干扰, 最大值出现的频率为119 MHz, 其值为-31.5 dBmV/m, 在500 MHz以上电磁干扰小于-60 dBmV/m。

4 井下电磁干扰对通信系统和监控系统的影响

4.1 煤矿井下电磁干扰对通信系统的影响

煤矿井下通信系统有无线通信系统、有线通信系统和漏泄通信系统, 电磁干扰对无线通信系统的影响主要是通过辐射干扰对系统形成干扰, 对有线通信系统的影响主要是通过传导耦合干扰对系统形成干扰, 漏泄通信系统既受辐射干扰又受传导干扰的影响。

对无线通信系统, 电磁干扰主要是井下电磁辐射干扰, 主要考虑辐射对通信发射系统、接收系统以及通信使用频段的影响。井下无线发射系统的安置应该远离井下各种电磁干扰源, 从电磁干扰源、电磁干扰大小以及电磁波在井下传播的角度分析, 井下电磁干扰较强的变电站、变频器等设备距离无线发射系统应不小于10 m, 以保证系统的绝对安全。井下通信频率的选择既要考虑井下的干扰频谱分布情况, 又要考虑电磁波在井下的传播特性, 选择900 MHz是一个比较理想的频率, 这是因为在900 MHz附近电磁辐射干扰很小, 同时该频段信号在井下传播的衰减也较小。

对有线通信系统, 电磁干扰主要来自传导耦合干扰, 因为传输线都是屏蔽线, 因此, 辐射干扰对有线通信基本没有影响。井下传导干扰主要来自各种强电的传输线, 频率为50 Hz基波以及各级谐波。在铺设传输线时, 为了减小传导耦合干扰, 应将传输线距强电传输线不小于0.3 m的距离。

对漏泄通信系统, 电磁干扰比较复杂, 因为漏泄通信系统的频率一般在450 MHz以下, 而在井下450 MHz以下的电磁辐射干扰比较强, 同时系统本身采用漏泄电缆传输信号, 因此, 要防止井下线路的传导耦合干扰, 井下漏泄电缆应距强电传输线不小于0.3 m的距离, 同时为了保证传输信号不受井下电磁辐射干扰的影响, 通信系统应该采用扩频通信[11]。

4.2 煤矿井下电磁干扰对监控系统的影响

井下监控系统是防爆的本质安全电路, 存在防爆外壳, 其外壳本身具有一定的屏蔽作用, 因此对监控系统产生电磁干扰的影响主要是通过导线的传导干扰, 电磁辐射干扰较小。井下监控系统一方面要防止监控感应设备以及井下监控分站的电磁辐射干扰, 另一方面还要防止传输线路的传导耦合干扰, 因此, 监控感应设备及监控分站的安装位置应与电磁干扰源的距离不小于5 m, 传输线应与电磁干扰线路不小于0.3 m的距离。

5 结论

本文分析了电磁波在矩形巷道中传播衰减特性、煤矿井下存在的电磁干扰以及分布的情况、井下电磁干扰对通信系统和监控系统的影响, 通过分析得出以下结论:

(1) 在煤矿巷道截止频率以下的电磁干扰不能向远处传播。

(2) 在煤矿巷道截止频率以上且在500 MHz以下的电磁干扰衰减非常大, 在该频段的电磁干扰也不能影响到距干扰源一定距离的通信设备以及监控设备。

(3) 从煤矿井下电磁干扰的产生情况以及电磁干扰频谱范围和电磁干扰幅度看, 主要的电磁干扰在500 MHz以下, 从电磁波在巷道内的传播规律可知, 井下电磁干扰的范围不会太大, 主要是电磁干扰传播过程中的衰减太快, 对于小于巷道截止频率的电磁干扰以5.457 5 dB/m的速度衰减, 因此研究井下电磁干扰主要是研究干扰源附近的干扰情况。对通信设备和监控设备的干扰范围主要根据干扰源产生的干扰大小及其被干扰设备的抗干扰能力决定。

(4) 频段在500 MHz以上的电磁干扰只在变频器周围存在而且呈周期性, 因此, 设计通信设备时可以有效地避开干扰区间以免受井下设备的电磁干扰, 同时由于在该频段内的电磁干扰值较小, 对监控设备不会形成干扰。

所以, 通过采取一些有效的措施是可以避免井下通信系统和监控系统的电磁干扰的, 能够保证系统的正常运行。

参考文献

[1]王艺华.煤矿井下甚高频电磁干扰分布的分析[J].电信科学, 2002 (3) :63~64.

[2]王晓珠.煤矿井下电子设备防电磁干扰的方法[J].煤炭科技, 2003 (4) :25~27.

[3]成凌飞.非理想空巷道中电磁波传播特性的研究[D].北京:中国矿业大学 (北京) , 2005.

[4]EMSLIE A G, LAGACE R L, STRONG P F.Theory of Propagation of UHF Radio Waves in CoalMine Tunnels[J].IEEE Transactions, 1975, 23 (2) .

[5]孙继平, 石庆冬.矩形隧道中的列车对电磁波截止频率的影响[J].电波科学学报, 2001, 16 (1) :100~102.

[6]孙继平, 魏占永.矿井隧道中电磁场能量的损耗[J].中国矿业大学学报, 2001, 31 (6) :575~578.

[7]卢斌先, 王泽忠, 李成榕, 等.500 kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究[J].中国电机工程学报, 2004, 24 (4) :133~138.

[8]李清泉, 李彦明, 牛亚民.变电站开关操作引起的瞬变电磁场及其防护[J].高电压技术, 2001, 27 (4) :35~37.

[9]WIGGINS C M, WRIGHT S E.Switching TransientFields in Substations[J].IEEE Trans.on P D, 1991, 6 (2) :591.

[10]顾毅.变频器高次谐波干扰的抑制[J].武汉交通科技大学学报, 2000, 24 (4) :460~462.

煤矿井下无线通信系统论文 篇11

关键词：煤矿；井下人员；定位系统；RFID

近些年来随着我国经济的快速发展，为了追求短期的经济利益，使得各种的煤矿安全事件频频发生，国家对于煤矿安全方面的投入也是越来越多，但是现实是目前的煤矿人员的安全措施仍然不到位。相关的人员管理中还是采取人为管理，使得各种事故频频发生，这是由于人为操作所以出错的机会大一些，而且一旦事故发生之后，地面人员不能够知道井下人员的具体分布的情况，使得救援的工作非常难开展，这一点在实际中都已经被广泛的验证了。为了解决这个问题，对于井下工作人员的定位技术的研究课题也就被提上了日程，这种技术可以保证在井下人员需要帮助的时候可以被很方便的找到进而提供各种协助，可以极大地减少各种的伤亡事故的发生，各方面的损失也会变得更少。

为了缓解这种情况，提高对于煤矿的信息化管理的要求，提升煤炭行业的安全技术水准，本文着重介绍一种以RFID技术为核心的定位系统技术，这种技术最大的特点就是无线、非接触式的自动识别的功能的实现，而且可以实现多目标、运动目标的非接触式的识别，并且可以做好加密和解密方面的工作，如今这种技术已经在公路，煤矿和铁路行业中被广泛的运用，但是由于我国的这方面的工作起步较晚，目前仍然处于起步阶段。

1.RFID技术的基本结构和工作原理

1.1 电子标签

电子标签是用于在信息的发送过程中把信息通过天线来发送给读写器以便于识别的，而且根据电子标签的不一样，电子标签主要可以分为有源电子标签以及无源电子标签两种类型：有源的电子标签本身有电池来提供电源，可以提供较远的作用距离，但是工作时间短，体积比较大，使用的成本比较高而且对于具体的适用环境也都有各种的要求；无源电子标签本身没有携带电池组，主要的工作原理是利用波束的供电技术来把接受的射频能量转化成为直流电源的能量以便为无源电子标签供电，这种标签的特点就是工作时间长，作用距离短，而且适合在很多种的工作情况下使用，比较实用。

1.2读写器

读写器是电子标签实现非接触式的无线通信的主要实现方式，主要的功能也就是识别出每一张在其工作范围内的电子标签的存在以及其发射的信息，并且把数据经过电子调制器那边去处理的工具。在各种设备的有效作业距离内，当数据从读写器中发出的时候，读写器内部缠绕的天线以及电子标签之间缠绕的天线之间共同的作用也就会形成一个磁场，电子标签内部的接受天线也会利用其会产生变化的负载的特点进而来控制接受天线的反射回来的信号，把返回的电磁波发送给读写器，当读写器接收到反射信号时，进行解码获取被识别的信息并发出相应的电磁载波.

1.3 天线

读写器会通过天线来发射出具有一定频率的信号，比如在RFID进入到读写器的工作场所的时候，其天线本身就会被感应而产生电流，这个时候RFID的标签也就会由于获得能量而被激活进而向讀写器发送出自身的编码信息。对于射频识别系统来说，接收耦合天线相当于等效有一个可变负载；读写器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其它操作.

2.整个系统的基本结构组成

2.1 电子标签

为了使得定位技术可以有最好的实用性以及最好的推广的方便性，系统的考虑到重量、成本与运行的维护各方面的情况，本文介绍的方案则主要是一种集成天线的无源电子标签，这种标签的作用半径可以达到十米，无源电子标签在读出器的作用距离之外的话是没有作用的，只有在电子标签的相应的距离之内，接受了读写器的射频能量才能够有反应，进而开始工作的过程。电子标签工作所需要的能量通过电磁耦合单元或天线，以非接触的方式传送给电子标签.每个标签都有一个全球唯一的lD号码——UID（通常为制造时间），可以进行读写、覆盖、增加的操作，可将每一个矿工的个人信息写入其专属卡中，以便读写器进行识别.为了适应煤矿的各种极端条件，此次设计的电子标签进行了防水与防高温的设计，即使在这些极端的情况下也依然会正常的工作。在具体地使用中，考虑到电子标签的易携带性，可以考虑把电子标签和矿灯的电源放在一起，这样可以获得很长的使用寿命。

2.2 读写器

由于对整个系统进行整体考虑，考虑到各方面的成本因素并且对煤矿进行实地考察后发现，采用单方面的只读器会获得较好的效果，这种标签在有效的工作范围内，只能够进行电子标签的发射信号的读取，并不能够来对电子标签进行读写操作。在这里采用的工作频段在902～928 MHz频段，每个信道占20 dB的带宽，约达到50 kHz和500kHz之间.与天线配合控制，经过跳频，有效范围可达8～10 m，采用ISQl8000—6协议.读写器可与标签以50～100次/s的频率通信，即可识别50～100个/s对象，这种技术标准是完全可以满足煤矿的工作要求的，在实际中可以考虑把读写器固定的安装，固定位置的读写器可以对电子标签进行完全的识别，而且还可以极大地忍受各种的恶劣的情况并且在没有可见光的情况下也是可以读出的，在高温以及外界的粉尘的情况下也可以正常的工作。

2.3天线

本系统采用的天线具有以下的特点，即足够小，可以方便的粘贴到任何的地方，有着各个方向的信号接收的覆盖面，可以获得最大的信号的接收，不论具体的人员处于什么方向上，天线的极化都有可能与读写器之间的询问信号相互的匹配到一起，价格非常便宜。而且具体的依据RFID的工作频段的不一样，电子标签也可以主要分为近距离的感应天线以及远距离的辐射的天线这两种类型，由于系统的需要所以选择了远距离的辐射天线场辐射天线主要有电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线，通常是谐振式的，一般取为半波长.

2.4单片机

单片机的主要功能就是可以管理读写器以及网络接口模块的通讯接口部分，主机需要与单片机进行连接进而来访问电子标签。使用在煤矿的工作条件下的单片机需要具备以下的特点：即价格便宜、节省能量、具有较高的处理速度、体积较小而且具备很好地防爆特点。本系统主要采用的是美国的超低能耗的单片机C8051F30x.C8051F 30x单片机具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，特别是它在设法保持CISI结构及指令系统不变的情况下对指令运行实行流水线作业推出了CIP.51的CPU模式整个指令集的平均运行速度是8051的9.5倍.这种高速的指令运行速度使系统具有了很高的处理速度.

3.结语

综上所述，为了使得煤矿的井下人员可以获得更好的安全保证，本系统考虑到了在煤矿的工作条件下的多种需求，本系统安全可靠，可以经受极端的恶劣条件，而且价格也是比较低廉，该系统的推广应用将为井下出现事故时，提供快速的救护方面起到积极作用。

参考文献：

[1]吕振，刘丹，李春光.基于捷联惯性导航的井下人员精确定位系统[J].煤炭学报，2011

[2]李成学，郭林霞.基于RFID技术的煤矿井下人员管理信息化的研究[J].中国矿业，2011

[3]范迪，吕常智，李虎.基于射频模块的矿井巷道人员定位的实现[J].煤矿机械，2011

作者简介：

煤矿井下无线通信系统论文 篇12

近几年, 随着国民经济的快速发展和基础设施建设步伐的加快, 能源需求增长加速, 煤炭产量也迅速增长, 煤矿生产最重要的问题之一便是安全问题[1]。三相异步电机作为煤矿企业生产的重要电气设备, 被广泛应用在煤矿生产的各个环节, 不可避免地会发生故障, 对煤矿生产安全运行蕴藏潜在的威胁。因此, 实现煤矿三相异步电机的实时监控, 及时准确地掌握煤矿三相异步电机的运作状态, 确保其安全运行, 具有十分重要的意义[2]。

1 系统工作原理

Zigbee无线传感器网络由分布式传感器节点、路由节点、协调器节点组成, 基于Zigbee的煤矿三相异步电机无线监控系统如图1所示, 电机网络节点通过传感器完成煤矿三相异步电机的电压、电流参数的测定, 并经过功率计算, 将测得的数据通过Zigbee网络传送给协调器, 同时根据协调器发来的指令实现对电机的控制。Zigbee网络的协调器通过串口和用户监控中心进行通信, 将采集到的电机的参数数据传送给监控计算机, 同时接受监控计算机的控制指令, 并通过Zigbee网络把质量发给相应的电机网络节点, 从而实现煤矿电机功率的实时监控。

2 硬件设计

煤矿井下三相异步电机无线监控系统硬件部分主要由上位机主站和异步电机网络节点两部分组成。上位机主站是由一台工控机或个人电脑与协调器通过串口相连;异步电机网络节点则是由测量异步电机参数的传单元、电源模块、微处理器、继电器模块和通信模块组成。

异步电动机网络节点结构框图如图2所示, 用内置精确的低偏置线性霍尔电流传感器ACS712进行相电流采集;利用磁补偿原理、在电气上高度绝缘的霍尔电压传感器HNV-025A进行相电压采集, 两者采集的信号经信号调理电路处理后通过A/D转换后送给微处理器;利用感应线圈测量转子频率测量电机的转差率, 从而根据异步电机能流图计算出电机功率;无线射频模块负责与协调器的通信, 发送电机的参数, 并接受电机的控制命令;继电器模块实现对电机的通断控制。

微处理器选用TI公司的CC2530单片机, 采用增强型8051MCU, 支持IEEE 802.15.4协议[3]。该芯片硬件方面, 内部自带ADC, 集成高性能的RF收发器及出色的低功耗功能。

由于矿井下数据传播路径会遇到阻隔, 所以CC2530无线射频模块选用外接型鞭状天线增强信号的强度。无线RF模块电路选用无巴伦的匹配电路, 天线匹配电路如图3所示, 电路中C18、C19、C20、C21、C22、L2和L3的阻抗相匹配, 满足射频模块输入/输出阻抗为50Ω的匹配要求。

由于常用的电源电压为5 V, 而CC2530的工作电压为3.3 V, 选用NCV1117ST33T3G芯片, 它是一款低压降可调稳压芯片, 可以把输出电压调整到3.3 V, 电源电路原理如图4所示。

协调器硬件设计和异步电动机网络节点类似, 也是选择CC2530为控制芯片的无线射频单元与其他节点通过Zigbee网络进行数据通信, 而工控机和CC2530通过串口进行数据通信。

3 系统软件设计

软件设计包括上位机监控软件设计、协调器软件设计及异步电动机网络节点软件设计三部分。上位机监控软件设计包括监控界面的设计及数据库设计, 监控界面查看三相异步电机的各种参数及运行情况, 数据库存储三相异步电机运行参数。协调器主要负责管理整个无线网络, 检查整个网络中各个节点连接运行情况, 接收各节点传来的电机参数数据并送给工控机, 同时接收工控机控制指令并发送给相应的节点, 程序流程图如图5所示;异步电动机网络节点负责采集电机参数信息并将数据转送给协调器, 主要负责与协调器建立网络、接收控制指令、发送数据参数并计算电机的功率, 程序流程图如图6所示。

4 结语

本文采用CC2530为主控芯片的设计异步电动机监控无线节点, 构建基于Zigbee的无线监控网络, 实现了对煤矿井下三相异步电动机的无线监控。实验结果表明:本系统运行稳定, 能够实时采集电机的电压、电流参数, 并经过功率计算, 实现煤矿电机功率的实时监控, 确保电机的正常运行。

参考文献

[1]韩涛, 黄友锐, 曲立国.基于Zigbee的煤矿风机无线监控系统研究[J].煤矿机械, 2014, 35 (1) :218-220.

[2]惠阳, 曹现刚, 张怀珠.基于XC164CS单片机的煤矿三相异步电机功率监控系统[J].煤矿机械, 2014, 35 (1) :194-196.